自核時代開始以來，就已經有了針對這些缺點的技術解決方案。例如，快中子反應堆可以利用比熱中子反應堆高得多的鈾比例。但任何新計劃必須不僅僅是更好的反應堆。無論反應堆是留在用戶原地，還是在使用壽命結束時返回東道國，都需要處理其中的核殘留物。

核能比其他能源更昂貴沒有先驗的理由。如果有效部署，它只需要很少的土地、材料或勞動力。當前的成本障礙主要與復雜的設計、高初始投資、處理長壽命廢物的成本的不確定性、行業缺乏活力以及缺乏通過復制學習有關。

在國際上，技術開發的重點是新的反應堆設計，但業界需要記住，放射性廢物及其相關的壽命被廣泛認為是該技術的一個關鍵缺點。這種看法扼殺了對整個技術的投資。我們需要核能來滿足一系列需求。它非常適合補充其他低碳能源，例如在太陽能效率低下的地方發電。更一般地說，反應堆儲存的熱量可用于提供額外的電力以平衡其他間歇性電源。

要實現這一點，它必須不需要消費者所在國家/地區的復雜技術能力，也不得遺留廢物管理和監護問題。我們建議將乏核燃料分為兩種，一種可以作為新的核燃料回收利用，另一種可以符合適合立即淺埋的低放廢物標準。解決延遲的廢物管理問題將使更多種類的商業公司能夠使用比目前更廣泛的核反應堆。這些公司可以通過配備回收反應堆及其相關燃料的專業組織來管理廢物。

圖 1：樞紐和衛星核電概念


圖 2：無長期廢物的可持續核電


圖 3：隨時間變化的放射性毒性危害

反應器類型

使用快中子反應堆和先進的燃料循環，有可能顯著減少用于處置最終廢物的深層地質處置庫的足跡。這份未來核電藍圖旨在擴展這種方法。與此同時，新一代小型反應堆采用模塊化設計，可以在工廠大量建造并部署在其他地方。

新設計可以結合固有的安全功能，從而簡化設計本身以及相關的許可和監管流程。它們包括快中子反應堆的設計，與輕水堆相比，快中子反應堆在“裂變”燃料方面效率更高，因此可以更好地利用燃料并產生更少的長壽命廢物。快中子反應堆最終將成為從其他反應堆回收自己的燃料和遺留的乏燃料的關鍵。

為安裝而運輸反應堆原則上也允許反應堆在部署后返回。用戶因此可以享受核反應堆的好處，而不必處理長期危險材料的問題。

航空模型

幾乎所有國家都能安全地享受航空帶來的好處，但大多數國家僅依賴少數幾個國家的特殊能力，例如建造飛機。需要為這些小型反應堆開發類似的模式。我們稱之為“樞紐和衛星”核電(圖 1)。少數組織充當樞紐，提供專業的核服務，衛星國家可以接收核設施并從中受益——不會在衛星站留下長期的危險遺產。

根據裝置的大小，有三種可能的模式以這種方式運行核電。核燃料往返于在衛星位置建造和固定的反應堆之間運輸，或者反應堆與內部燃料一起往返于現場運輸，或者對于非常小的裝置，完全集成的發電廠可以往返于衛星運輸.

這些替代方案中的每一個都有已建立或計劃的表現形式——例如英國和法國的核燃料后處理、俄羅斯的駁船式核電站以及用于空運到災區的小型核電站的設計研究。

中心和衛星概念允許通過復制和大規模制造來節省成本，而廢物管理的集中化意味著回收燃料和處置廢物的復雜操作的成本可以分攤到大量反應堆上。

將廢物作為資源進行管理

說“沒有人知道如何處理核廢料”是不真實的，因為有技術上可接受的解決方案(主要是在穩定的地質條件下深埋有工程障礙)。然而，由于廢物在很長一段時間內的演變以及短期和中期的熱量產生的殘余不確定性，目前很少有乏燃料或高放廢物 (HLW) 的長期處置。世界上大部分乏燃料都儲存在水池中，這需要人工監督系統。其余大部分存儲在風冷屏蔽存儲桶中，這仍然需要未來的永久解決方案。

由于其長期存在，未解決的廢物給組織帶來了體制問題，組織必須長期承擔廢物的責任。很少有組織可以保證持續這么長時間。在美國，這個問題據說是由聯邦政府通過承擔乏燃料的長期責任來解決的，以換取向電力公司收取費用。迄今為止，政府已要求工業界付款，但并未解決問題。通過對問題承擔責任，美國政府并沒有強迫核電供應商尋找其他方法來解決他們的廢物問題，而是維持了一次燃料循環，盡管存在缺陷，但仍可以容忍。

對核材料進行長期管理的最安全形式是根本不儲存它們。這可以通過將廢物分離以立即處理并通過“及時”程序回收其余部分來實現。

為了向公眾展示適當的可持續性，核電廠(和支持活動)應在停止運行后盡快拆除或退役直至完成。除了符合代際公平的原則外，它還充分利用了現有的知識、專業知識和資源。

造成長期危害的燃料成分應回收為新的核燃料。鈾(U-235 同位素中輕度富集或貧化)可出于物質平衡目的添加或從循環中移除。

核過程中不可還原的廢物(主要是裂變產物而不是次要的錒系元素)只是乏燃料的一小部分，而這一部分也是產生大部分麻煩的熱量的原因。當使用結束時，裂變產物部分本身可以被允許留在原處而無需進一步的人工干預。這是因為在物理遏制(例如罐)失效之前，危害將衰減到基本無害的水平。如果分離出發熱部分，則可能會使用熱量。

無論回收計劃多么有效，它都無法消除所有廢物。在美國術語中被描述為“低水平”的廢物通常可以通過現有的淺埋設施進行管理。出于材料平衡目的，源自乏燃料的鈾可以很容易地去除，然后再送回。

核物理要求

以這種方式回收燃料的核物理特性需要仔細處理，但原則上可以在熱反應堆和快中子反應堆的方案中將回收燃料與濃縮或貧化鈾結合起來。在快堆中滿足核物理和材料平衡要求比熱反應堆系統容易得多。

一個主要要求是平衡燃料的易裂變成分和可轉化成分的比例。對于熱反應堆，裂變比會隨著反應堆的運行而不斷下降，因此必須進行調整。對于快堆，該比率可能會增加或減少。快堆也可用于“焚燒”可能在燃料循環中積累的有問題的物質。

人們可能會認為，提高裂變與受精比的唯一方法是添加裂變材料，但提取鈾也可以達到相同的效果(圖 2)。出于安全考慮，這是更可取的。

支持回收計劃早期階段的關鍵材料是高含量低濃縮鈾 (HALEU)。國際公認的標準將 U-235 的濃縮度限制為 20%，以防止非法用于核武器目的。大多數反應堆目前供應約 5% 的 U-235，但 HALEU(高達 20% 的濃縮)對于實現回收計劃的材料平衡非常有用。美國能源部最近與 Centrus 能源公司簽訂了生產 HALEU 的合同。

分離回收價值

乏核燃料需要分為兩部分：主要是裂變產物;以及鈾、钚和次錒系元素的混合物。目標是分離裂變產物，使包裝件的危害衰減遵循圖 3 中的綠色曲線(而不是乏燃料本身的紅色曲線)。在開發所需類型的分離器方面已經取得了很大進展。

早期核反應堆的設計通常沒有與用于處理輻照燃料和處理廢物的下游工廠的設計緊密結合。將乏燃料分離成鈾、钚和高放廢物的 PUREX 工藝具有廣泛的適用性和商業成熟度，因為它可以適應許多不同的燃料類型。

幾十年來，人們探索和開發了許多從輻照燃料中分離裂變和非裂變材料的方法，包括溶劑萃取、氟化物揮發性、等離子火焰、熔融鹵化物電解精煉、分步結晶。

雖然較早的工藝如 PUREX 是為“純”鈾和钚產品設計的，但最近的工藝集中在分離充分分配的錒系元素流，以循環到快中子反應堆用于發電或微量錒系元素焚燒，裂變產物廢物流用于近期廢物管理。

輻照、后處理、遠程制造和再循環到快堆的一體化是復雜的，但美國的 ANL 一體化快堆及其相關燃料循環和美國的 RIAR BOR60 反應堆及其相關燃料循環已經實現了這一點。俄羅斯聯邦。這些操作尚未達到 PUREX 后處理的商業成熟度。

出現了兩種主要產品，一種適用于核燃料，另一種是潛在有用的熱源，但沒有與之相關的長期危險。

分離的目的應該是使用“及時”做法來接收、加工和出口材料，以避免在存儲中積累大量材料。按照工業標準，核反應堆中消耗的核燃料的物理量非常小。它的加工應適當靈活和小規模。

圖 2 顯示了如何將現有的乏核燃料和貧化鈾納入回收過程。SNF 中的絕大多數材料都具有作為回收燃料的潛在價值——只有一小部分 SNF 是真正的“廢物”。

世界現有乏燃料(連同貧鈾庫存)的潛力至少代表了人類 100 年的總能源需求。

裂變產物廢物的可持續利用

如果要利用裂變產物廢物產生的材料或熱量，則必須確定足夠的需求。

俄羅斯將 Sr-90 用于放射性同位素發電機，但發射伽馬的同位素能否用于發電機尚存疑慮。也建立了基于 Cs-137 的伽馬輻照器，但規模不大。這些應用程序都不能充分利用電源。(應該指出的是，加工廠可能會提供 Np-237，它是 SNF 的一個組成部分。通過反應堆中的中子輻照，Np-237 可以轉化為 Pu-238——用于放射性同位素發生器的優良放射性核素遠距離太空探索。

最靈活的用途是偏遠地區的區域供熱。源可能高達10MW左右，適合幾百人的小社區。如果裂變產物罐被放置在與地表進行熱交換的地下水池中，由此產生的熱水輸出可以為這些偏遠社區的家庭提供可靠和連續的區域供暖，類似于提供地熱能，但在選擇的位置而不是受限于可用性的地理限制。

為了安全起見，如果熱交換系統發生故障，地下游泳池將需要一條通往周圍地面的被動散熱器路徑。

將保持恒定的熱量輸出，通過定期向池中添加額外的裂變產物罐來補償放射性衰變。在離開時，該設施將被允許移動到緊鄰燃料池周圍的地面進行被動熱交換。大約一百年后，該設施將不再產生大量熱量，并且在幾百年后，任何放射性危害都將有效消失。

國際倡議

這里提出的想法并不新鮮，而是幾乎自核工業誕生以來就一直存在的重點目標。

在美國，自卡特總統時代以來，核燃料回收只是間歇性發展。雖然由于國家實驗室的力量在美國重新煥發活力，但其他國家(特別是俄羅斯和中國)正在進一步發展這種類型的分區計劃。

英國在該領域具有歷史性的能力，但隨著 Dounreay 和 Sellafield 設施的關閉，這些能力已經耗盡。法國擁有非常重要的能力，托木斯克的西伯利亞化學綜合體、季米特洛夫格勒的 RIAR 和俄羅斯周邊的各種機構都積極作為其中一些想法的發展中心，并且他們擁有從事相關工作的技術人員和設施.

法國核研究機構 Commissariat a`l'e'nergie atomique (CEA) 于 2019 年 9 月表示，“在本世紀下半葉之前沒有計劃第四代反應堆的工業發展。” 需要大量的研發、開發和設計工作才能引入完整的第四代反應堆和燃料循環設施，包括那些具有足夠短放射性衰變期的廢物管理設施。這段發展時期將為使用能夠滿足整個循環技術要求和規范的快中子反應堆創建這樣一個行業提供時間。然而，如果有提供足夠的發展資源和產業贊助的倡議，沒有什么可以阻止這個時間尺度的加速。

預計短期內全尺寸第三代反應堆(有時稱為第三代 + 型)的增量改進，并且可能會提前部署新概念設計的中小型反應堆類型，例如 Moltex、GE-Hitachi、Terrestrial能源、ARC、Leadcold、NuScale、Holtec 等。

基于快中子通量的新概念設計通常旨在降低單位成本，并且可能成為制定未來核電藍圖原則的領導者。